Untersuchung des thermomechanischen Verhaltens der RH-Anlage Donawitz mit der Methode der Finiten Elemente

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1 Untersuchung des thermomechanischen Verhaltens der RH-Anlage Donawitz mit der Methode der Finiten Elemente D. Gruber 1), K. Andreev 2) und H. Harmuth 1)2) 1) Christian Doppler Labor für Eigenschaftsoptimierte Baustoffe am Institut für Gesteinshüttenkunde Montanuniversität Leoben A Leoben 2) Institut für Gesteinshüttenkunde Montanuniversität Leoben A 8700 Leoben Kurzfassung Die Vakuumbehandlung von Flüssigstahl zur Erzeugung hochwertiger Stahlsorten mit geringsten Gehalten an Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff erlangt eine immer größere Bedeutung. Die Herstellung dieser Stähle erfolgt überwiegend nach dem sogenannten RH-Verfahren. Die Rüssel der RH-Anlage werden in die mit flüssigem Stahl gefüllte Pfanne eingetaucht und das Obergefäß evakuiert. Eine Teilmenge des Stahls wird kontinuierlich, durch Einblasen von Argon in einen der Rüssel in das RH- Gefäß gefördert, gibt dort seine gelösten Gaskomponenten ab und fließt wieder in die Pfanne zurück. Die Feuerfestzustellung wird hier insbesondere durch die hohe Temperatur, die Erosion des Flüssigstahls und den Thermoschock beim Eintauchen beansprucht. Die Resultate dienen einerseits zur Beurteilung der thermischen Beanspruchung, insbesondere wurde die Auswirkung einer Wasserkühlung im Rüsselflansch geprüft. Andererseits sind sie Grundlage für die Durchführung der thermomechanischen Analyse. Diese mechanische Analyse bildet den Hauptteil der Untersuchungen. Dabei standen zum einen das Verhalten der gesamten Anlage (Obergefäß, Untergefäß), zum anderen das Verhalten des Rüssels im Vordergrund. Das Verhalten der gesamten Anlage sollte Hinweise für die Abschätzung der Dehnfugen und die Verformungen und Belastung des Blechmantels liefern. Ein besonderer Schwerpunkt wurde hier auf die Berücksichtigung der Fugen gelegt. Zur Bestimmung der Neigung der Rüsselachsen wurde ein Modell vom Untergefäß entwickelt. Auch die Rissbildung im Rüssel, die dafür verantwortlichen Mechanismen und die Verformung des Rüssels wurden durch ein geeignetes Modell untersucht. Die Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften fand über die Eingabeparameter Berücksichtigung. Das Versagen im Zug- und Druckbereich wurde mit den Modellen nach Rankine bzw. Drucker-Prager modelliert. Die Resultate der thermischen Berechnung wurden durch Messungen am Stahlmantel sowie durch Thermoelemente in einem Rüssel und im Obergefäß verifiziert. Die Verifikation der Ergebnisse der Dehnfugenabschätzung erfolgte über Erfahrungswerte des Betreibers, die Verformung des Rüssels wurde an der Anlage nach dem Einsatz gemessen. Die Ergebnisse können in die Auslegung der Geometrie von Zustellung und Stahlmantel sowie auch in die Materialauswahl einfließen. 33

2 1. Einführung Die RH-Anlage nimmt in Bezug auf die Beanspruchung der feuerfesten Zustellung eine besondere Stellung ein. Mehrere Faktoren spielen eine Rolle, die in ihrem gemeinsamen Wirken zu den beobachteten Schädigungen führen. Als herausragende Beanspruchung ist die Thermoschockbeanspruchung an den Rüsseln und im Untergefäß anzusehen. Weiters spielen die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Rüsseln eine Rolle. Dazu kommt die thermische Belastung des Stahlmantels. Ein Gesamtmodell der Anlage, mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit, kann mit den derzeit verfügbaren Rechenleistungen und nicht linear elastischen Materialeigenschaften nicht modelliert werden. Daher wurden drei Teilbereiche der Anlage getrennt betrachtet. Vor der thermomechanischen Berechnung erfolgt die thermische Simulation. Diese beginnt mit der Aufheizphase. Dabei wird die RH-Anlage mit einem Gasbrenner über 120 Stunden vorgewärmt. Die Rüssel der Anlage bleiben dann ca. 150 Chargen im Betrieb. Das Untergefäß bleibt 300 bis 340 Chargen im Einsatz, wobei ca. zur Hälfte der Chargenzahl eine Reparatur an Beinen, Boden und der obersten Steinlage durchgeführt wird. Das Obergefäß wird etwa alle 3000 Chargen neu zugestellt. 2. Ein axisymmetrisches Modell von Ober- und Untergefäß Den ersten Teil der Untersuchung bildete die Abschätzung der Dehnfugen am Obergefäß. Dafür wurde ein axisymmetrisches Modell von Obergefäß und Untergefäß erstellt. Die Dehnfugen wurden mit Kontaktelementen modelliert, die ein Schließen der Fugen erlauben. Zwischen der Zustellung und dem Stahlmantel kam es zur Anwendung von Interfaceelementen, welche aufgrund von unterschiedlichen Steifigkeiten in Normalrichtung und Scherrichtung eine Relativbewegung zwischen Zustellung und Stahlmantel erlauben. Der Hauptteil der feuerseitigen thermischen Dehnung der Zustellung kommt vom Obergefäß. Das folgt einerseits aus der größeren Höhe des Obergefäßes, andererseits sind zu dem während des Vorheizens die Temperaturen im Obergefäß höher, da hier die Brennerlanze situiert ist. Dem sollte mit der Wahl der Dehnfugen am Obergefäß entsprochen werden. Eine Zusammenfassung der feuerseitigen Dehnungen ist in Tabelle 1 ersichtlich. Berechnete Dehnung feuerseitig [mm] [%] Obergefäß Oben 9,0 35,2 Unten 1,9 7,4 Untergefäß Oben 3,0 11,8 Unten 11,6 45,6 Gesamt 25,5 100,0 Tabelle 1: Zusammenfassung der berechneten feuerseitigen Dehnungen 34

3 Interfaceelemente Abb. 1: Axisymmetrisches Modell 3. Ein dreidimensionales Modell des Untergefäßes Für das Modell zur Analyse des Untergefäßes wurde die Symmetrie genutzt und ein Viertel dargestellt. Abb. 2: Geometrie des Modells vom Untergefäß 35

4 Aufgrund der Größe und der Komplexität der Geometrie mussten Einschränkungen in der Elementgröße hingenommen werden. Die Elementgröße liegt bei maximal 35 mm Kantenlänge. In Abb. 3 ist die Temperaturverteilung in der Zustellung und im Stahlmantel zu sehen. Das Diagramm der Abbildung 4 zeigt die Temperaturen in den Punkten A und B, deren Lage in Abbildung 5 ersichtlich ist. Die Temperatur in der Achse der Anlage ist größer als am äußeren Umfang. A B Abb. 3: Temperaturverteilung im Untergefäß eine Stunde nach dem ersten Eintauchen. 300 Temperatur [ C] A B ,0 119,5 120,0 120,5 121,0 Zeit [h] Abb. 4: Temperaturen in den Knoten A und B von Abbildung 3 in Abhängigkeit von der Zeit. 36

5 -1,50 Verschiebung [mm] -2,00-2,50-3,00-3,50 Stahl mit Zustellung Stahl -4, Radialer Abstand zur zylindrischen Außenkontur [mm] Abb. 5: Verschiebung des Untergefäßbodens in axialer Richtung mit Zustellung und ohne Zustellung Um den Einfluß der Zustellung auf die Steifigkeit des gesamten Systems kennenzulernen, wurde bei einer zusätzlichen Berechnung der Elastizitätsmodul der Zustellung um einige Zehnerpotenzen vermindert. Das Ergebnis der Berechnung gibt dann das Verhalten des Stahlmantels ohne mechanischer Beeinflussung durch die Zustellung wieder. Dabei zeigt sich, dass die Zustellung auf den Stahlmantel versteifend wirkt. Die höchsten Spannungen im Stahlmantel treten am Ansatz der Beine auf. Die Abbildung 5 zeigt die Vertikalverschiebung des Untergefäßbodens in Abhängigkeit vom radialen Abstand von der zylindrischen Außenkontur. Diese Verschiebungen führen zu einer Ausbeulung des Untergefäßbodens, die eine Neigung der Beinachsen verursacht. Der Grund für diese Ausbeulung ist letztlich die höhere Temperatur im Zentrum des Untergefäßbodens. 37

6 4. Rüssel a) b) Abb. 6: Axisymmetrisches Modell des Rüssels a) und dreidimensionales Modell des Rüssels b). Um das Verhalten des Rüssels zu simulieren, wurden mehrere Modelle entwickelt. Das axisymmetrische Modell (Abb. 6 a) wurde für den Großteil der Berechnungen verwendet. In diesen Modellen ist es zwar möglich, die Wirkung von Lagerfugen, aber nicht jene der Stoßfugen zu berücksichtigen. Zu diesem Zwecke wurden 3D-Modelle (Abb. 6 b) erstellt. Die Rüssel der RH-Anlage sind die thermomechanisch am stärksten beanspruchten Anlagenteile. Der Betriebszyklus wurde in sieben Phasen unterteilt, um die thermischen Belastungen möglichst wirklichkeitsnah darstellen zu können (Tabelle 2). Phase Aufheizen Tauchen Vakuum anlegen Behandlung Vakuum aus Auftauchen Standzeit Dauer 5 Tage 5 Sekunden 2 Minuten 13 Minuten 10 Sekunden 5 Sekunden 15 Minuten Tabelle 2: Phasen und ihre Dauer 38

7 Zur Überprüfung der Temperaturfelder wurde ein Rüssel mit Thermoelementen bestückt (Abb. 7). Die Messwerte wurden dann mit den Ergebnissen aus der FEM-Rechnung verglichen Abb. 7: Rüssel mit Position der Thermoelemente Temperatur [ C] Zeit [h] 4a 4b 3b 3a 2a 2b 2a 3a 4a 2b 3b 4b Abb. 8: Vergleich der gemessenen a) mit den berechneten b)temperaturen Nach einer Anpassung der Vorheiz- und Zykluszeit an den tatsächlichen Prozess ergeben sich die im Diagramm abgebildeten Temperaturverläufe. Besonders während der ersten Zyklen stimmen Berechnung und Messung gut überein, danach kommt es zu einer Abweichung, die vor allem durch die unregelmäßige Chargenfolge an der Anlage begründet ist. 39

8 Die Abbildungen 9 und 10 zeigen die Temperaturverteilung während der ersten und der neunten Charge. A. B. C. D. E. F. Abb. 9: Temperaturverteilung während der ersten Charge am Ende der jeweiligen Betriebsphase: A. Vorheizen; B. Eintauchen; C. Anlegen des Vakuums; D. Behandlung; E. Ende der Vakuumhaltezeit; F. Ende des ersten Zyklus. A. B. C. D. E. F. Abb. 10: Temperaturverteilung während der neunten Charge am Ende der jeweiligen Betriebsphase: A-E wie oben; F. Ende des neunten Zyklus. 40

9 Weiters wurde die Auswirkung einer Wasserkühlung im Rüsselflansch untersucht. Mit der Entfernung zum Rüsselbein nimmt die Wirkung der Kühlung immer mehr ab, bis sie schließlich in der untersten Steinlage des Rüssels praktisch keinen Einfluss mehr zeigt (Abb. 11). Die Kühlung verbessert somit die Haltbarkeit vom Stahlmantel im Bereich des Flansches A Temperatur [ C] A 2 B 1 B B Zeit [h] 1 A 1 B 2 A 2 B A Abb. 11: Temperatur in den Punkten A und B mit (1) und ohne (2) Flanschkühlung Die rasche Erwärmung der Steinzustellung beim Eintauchen des Rüssels in das Stahlbad führt zu einem hohen Temperaturgradienten in der Zustellung. Die Feuerseite der Steinzustellung ist daher wesentlich heißer als der Stahlmantel des Rüssels. Es kommt daher durch die dadurch bedingte hohe thermische Dehnung der Steinzustellung zu Zugspannungen im Stahlmantel, die bei der erhöhten Temperatur die Fließgrenze überschreiten. Die bleibende plastische Verformung des Stahlmantels nimmt mit der Temperatur zu und ist daher im Bereich der Rüsselunterkante am höchsten. Dies führt zu einer trompetenartigen Verformung, die auch im kalten Zustand beobachtet werden kann (Abb. 12). Die Rüsselaußenmasse wirkt bei diesem Prozess praktisch nicht versteifend auf die Verformung des Stahlmantels, da es hier aufgrund der Verformun- zu Rissbildung kommt. (Abb. gen 12). 41

10 Verschiebung des Punktes A in horizontaler Richtung Verschiebung x [mm] 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 119,5 120,0 120,5 121,0 Zeit [h] Abb. 12: Verformung des Stahlpanzers A Der Abschlussring, also die unterste Steinlage des Rüssels, ist einer besonderen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Hier kommt es zu einer erhöhten Beanspruchung in axialer Richtung, da die durch die axiale Dehnung entstehenden Druckkräfte von keiner weiteren Steinlage aufgenommen werden. Es entstehen Scherspannungen, die zu verstärkter Rissbildung im Bereich der freien Steinkante führen. Dies kann sowohl anhand des Simulationsergebnisses als auch einer fotographischen Darstellung eines Rüssels nach dem Einsatz der Abb. 13 entnommen werden. Eine Verringerung des Ausmaßes der Rissausbreitung erfolgt in der Praxis durch Feuerfestmaterialien mit verringerter Sprödigkeit (Magnesiachromitbaustoffe). 42

11 Abb. 13: Darstellung der Rissinitiierung bzw. der Rissbildung im Modell und an der Anlage 5. Schlussfolgerungen Die Methode der finiten Elemente ist ein brauchbares Werkzeug, um das thermomechanische Verhalten der RH-Anlage zu beschreiben. Zwar ist es mit den derzeit verfügbaren Rechenleistungen noch nicht möglich, die gesamte Anlage in einer entsprechenden Genauigkeit abzubilden, jedoch können einzelne Anlagenteile auch unter Berücksichtigung der Symmetrie modelliert werden. Speziell die Anwendung von Interfaceelementen, die eine mechanische Entkopplung der Zustellung vom Stahlmantel erlauben, brachte einen Fortschritt in der Modellierung. Die Dehnfugenstärken können so bereits vor dem Einbau abgeschätzt werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Neigung der Rüsselachsen im Betrieb auf ein Ausbeulen des Untergefäßbodens zurückzuführen ist, für das die Temperaturverteilung verantwortlich ist. Die Wasserkühlung des Rüsselflansches bewirkt einen lokalen thermischen Schutz. In den unteren Steinlagen des Rüssels erfolgt keine wesentliche Temperaturverminderung. Verformungen und Schädigungen im Rüssel konnten im Modell abgebildet werden. 43